滑动超表面在一个器件中同时实现频率滤波与波束偏转

控制电磁能量的去向以及哪些信号被允许通过，是现代技术的核心，从无线通信和雷达到传感与成像平台皆是如此。超表面——由人工设计的亚波长超原子构成的超薄阵列——已成为操控电磁波的通用平台，能够在紧凑的尺寸内实现从波束指向控制、波前整形到频率选择性滤波等多种功能^1,2,3,4,5,6。然而，这些功能总体上是沿着各自独立的路径发展的。空间控制通常通过人工设计的相位梯度来实现，以重定向电磁能量⁷；而频谱控制则依赖谐振响应，选择性地透射、反射或吸收特定频率^8,9。如今，随着频谱日益拥塞和功能不断集成，在紧凑单元内同时操控电磁波的空间与频谱特性已成为越来越具吸引力的目标。目前大多数可调谐超表面依赖 PIN 二极管、变容二极管或相变材料等有源器件来动态改变其电磁响应^10,11,12。这些方法往往以硬件复杂度增加、功耗上升、制造困难为代价，而且总体上调谐能力有限，和/或仅能在特定频率范围内工作。一种更简单、更具可扩展性的多功能波控途径非常必要且至关重要。

H. Shi、W. Zhu、G. Hu 及其同事近期的一项工作提出了一种创新方法来应对这一挑战¹³。与传统可调谐超表面使用有源器件动态修改单个超原子的电磁响应不同，该方法用整体几何位移取代了局部重构：即两层互补超表面之间的相对横向滑移。通过受控滑动，这种方法可在表面产生有效相位梯度，刚性平移角谱，从而实现受控的波束偏转，使透射波束无需任何有源器件或对单个超原子的调谐即可被指向控制。重要的是，这种操作保留了超表面固有的频谱滤波特性，从而实现对频率和传播方向的同时控制。

这里的关键原理可以理解为倒易空间中角谱的平移。所提出的超表面单元胞由多层堆叠的金属层和介质层构成，形成谐振单元。结构中的这些谐振单元产生有效的电感和电容响应，使精心设计的多层架构能够支持定义明确的通带以及强带外抑制。通过控制第5层开口环谐振器的两个独立几何自由度——开口方向和张角，超表面可在传输通带内提供稳定的相位偏置。如图 1 所示，这种双重功能形成了一个频率-角度选择窗口，在该窗口内电磁波的频谱内容和传播方向均可在单个器件中以连续可调的方式加以控制，并在 26.5–29.5 GHz 范围内实现陡峭的带通响应，带外抑制超过 20 dB。当两层超表面完全对准时，它们的相位贡献相互抵消，产生沿光轴方向的透射波束。当两层相对位移时，线性相位梯度自然出现，使频谱重心偏移，进而重新定向透射波束，从而形成一个可实现连续可调大角度波束扫描的紧凑平台。因此，超表面在整个通带内保持低插入损耗和稳定的相位关系，确保在 ±57° 扫描范围内具有一致的波束成形性能。

重要的是，这种大范围可调性是在完全无源的平台上实现的。其功能通过无源结构之间的可控位移来实现，而不是主动改变单个超原子的电磁响应。这种几何驱动的方法为电磁波的多维控制提供了一种更简单、可扩展且可能节能的途径。展望未来，调谐机制与材料无关的特性表明，滑动超表面概念可以轻松扩展到电磁波谱的其他波段，包括太赫兹和光学波段。通过将滑动超表面的几何重构与偏振控制、全息、非线性频率转换、时空调制以及新近发展的虚拟超表面^14,15,16等功能相结合，有望进一步推动未来器件的发展，使其在单个紧凑架构内实现多种自适应操作。这些能力可能为整个电磁波谱范围内的自适应与智能成像、传感和信息处理带来新的机遇。

参考文献

1. Yin, J. Y. 等. Frequency-controlled broad-angle beam scanning of patch array fed by spoof surface plasmon polaritons. IEEE Trans. Antennas Propag. 64, 5181–5189 (2016).

   论文  ADS  Google Scholar 

2. Wang, Z. et al. On-chip wavefront shaping with dielectric metasurface. Nat. Commun. 10, 3547 (2019).

   论文  ADS  Google Scholar 

3. Liu, C. et al. A programmable diffractive deep neural network based on a digital-coding metasurface array. Nat. Electron. 5, 113–122 (2022).

   论文  Google Scholar 

4. Mu, Y. H. et al. Complex-amplitude radiation-type metasurface enabling beamform-controlled energy allocation. Photonics Res. 11, 986–998 (2023).

   论文  Google Scholar 

5. Zhan, H. J. et al. Review for wireless communication technology based on digital encoding metasurfaces. Opto-Electron. Adv. 8, 240315 (2025).

   论文  Google Scholar 

6. Chen, S. Z. et al. Trends, challenges, and key technologies of beam-space multiplexing based on metasurfaces. IEEE Wirel. Commun. 32, 130–138 (2025).

   论文  Google Scholar 

7. Arbabi, A. et al. Dielectric metasurfaces for complete control of phase and polarization with subwavelength spatial resolution and high transmission. Nat. Nanotechnol. 10, 937–943 (2015).

   论文  ADS  Google Scholar 

8. Yao, J. et al. Integrated-resonant metadevices: a review. Adv. Photonics 5, 024001 (2023).

   论文  ADS  Google Scholar 

9. Chen, H. T., Taylor, A. J. & Yu, N. F. A review of metasurfaces: physics and applications. Rep. Prog. Phys. 79, 076401 (2016).

   论文  ADS  Google Scholar 

10. Singh, K. et al. Controlling the most significant grating lobes in two-dimensional beam-steering systems with phase-gradient metasurfaces. IEEE Trans. Antennas Propag. 68, 1389–1401 (2020).

    论文  ADS  Google Scholar 

11. Wang, Z. & Dong, Y. D. Metamaterial-based pattern-switchable linear array for 2-D discrete beam-scanning using hybrid digital coding method. IEEE Trans. Antennas Propag. 71, 2515–2526 (2023).

    论文  ADS  Google Scholar 

12. Tian, J. et al. Wideband transmissive programmable metasurface for adaptive millimeter-wave beamforming. Laser Photonics Rev. 19, 2401333 (2025).

    论文  ADS  Google Scholar 

13. Shi, H. et al. Sliding metasurface for wide-angle beam steering with sharp frequency filtering. Light Sci. Appl. 15, 332 (2026).

    文章  Google Scholar 

14. Schulz, S. A. 等. 光子超表面路线图. Appl. Phys. Lett. 124, 260701 (2024).

    文章  ADS  Google Scholar 

15. Zhu, R. C. 等. 虚拟超表面：在远距离重塑电磁波. Photonics Res. 11, 203–211 (2023).

    文章  Google Scholar 

16. Zheng, Z. 等. 用于可编程多光谱红外上转换成像的非线性虚拟透镜. Adv. Photonics Nexus 5, 046024 (2026).

    文章  Google Scholar 

下载参考文献

作者信息

作者与单位

1. Advanced Optics and Photonics Laboratory, Department of Engineering, School of Science & Technology, Nottingham Trent University, Nottingham, NG11 8NS, UK

   Lei Xu & Mohsen Rahmani

作者

1. Lei Xu
2. Mohsen Rahmani

通讯作者

通讯作者 Lei Xu。

伦理声明

利益冲突

作者声明不存在竞争性利益。

权利与许可

开放获取 本文依据知识共享署名 4.0 国际许可协议（Creative Commons Attribution 4.0 International License）授权，允许在任何媒介或格式下使用、分享、改编、分发和复制，只要您对原作者和来源给予适当署名，提供指向知识共享许可协议的链接，并注明是否做了修改。除非在材料的署名行中另有说明，本文中的图片或其他第三方材料均包含在该文章的知识共享许可协议范围内。如果材料未包含在文章的知识共享许可协议范围内，且您的预期用途不受法定法规允许或超出允许的使用范围，您需要直接向版权所有者获得许可。要查看该许可协议的副本，请访问 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。

转载与许可

关于本文

引用本文

Xu, L., Rahmani, M. 滑动超表面：一种兼具频率滤波与波束偏转功能的二合一超器件. Light Sci Appl 15, 388 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02470-8

下载引文

• 发表：2026 年 10 月 16 日

• 定稿版本：2026 年 10 月 16 日

• DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02470-8